Конденсатор - детям не игрушка
(Архив пионерской мудрости)
Страшная история из нефильма ужасов
«Заряженный высоковольтный конденсатор можно отнести к источнику постоянного тока. Считается, что постоянный ток менее опасен, чем переменный. Исходя из своего опыта, могу не согласиться. Если Вы «подключаетесь» к бытовой электросети, то Вы будете дергаться. Хотя частота тока в розетке равна 50 Гц, и человек не успеет отреагировать на столь быстрое событие, тем не менее, у Вас будет шанс в процессе конвульсий самостоятельно освободиться от действия электрического тока. Ведь напряжение в розетке 50 раз в секунду равно нулю. Если Вы «подключаетесь» к мощному источнику постоянного тока, то тут без вариантов. Ваши мышцы сильно сократятся, и никакой силы воли не хватит, чтобы расслабить их. Вы будете словно приклеенный к источнику постоянного тока. При этом Ваша тушка будет нагреваться, медленно превращаясь в уголь. Жуть!
Поражающее действие заряженного высоковольтного конденсатора несколько иное и зависит от конкретных условий. Однако в любом случае приятных ощущений от прикосновения к электродам заряженного конденсатора у Вас точно не будет. Однозначно! Обуглиться не успеете, но шары на лоб полезут. Чик…и ты уже на небесах! В особо тяжких случаях при чудовищно большом заряде (не будем говорить о цифрах) конденсатор разорвет Вас как тузик грелку. Шары будут в одном углу комнаты, а лоб - в другом углу комнаты.
Короче говоря, будьте бздительны
! При работе с высоковольтной техникой лучше перебздеть, чем недобздеть.»
Конденсатор является одним из главных элементов в блоке питания импульсных лазеров. Высоковольтный конденсатор используется для питания импульсных ламп-вспышек, а также для накачки импульсных газоразрядных лазеров. Параметры конденсатора выбираются в зависимости от конкретного типа лазера. Определяющими являются такие величины как емкость, рабочее напряжение, волновое сопротивление и собственная индуктивность конденсатора. От емкости и рабочего напряжения конденсатора зависит энергия накачки. Энергия конденсатора рассчитывается по простой формуле
Е = СU 2 /2, где Е - энергия конденсатора
С - емкость конденсатора
U - напряжение зарядки конденсатора
От волнового сопротивления зависит величина тока, который будет проходить при разряде конденсатора через малую нагрузку. Чем меньше в олновое сопротивление конденсатора, тем выше ток. В олновое сопротивление рассчитывается по формуле
ρ к = √(L к /C к), где ρ к - в волновое сопротивление конденсатора
L к - индуктивность конденсатора
C к - емкость конденсатора
От собственной индуктивности конденсатора зависит быстрота передачи энергии конденсатора в нагрузку. Чем меньше индуктивность конденсатора, тем выше крутизна фронта импульса накачки. Откуда в конденсаторе индуктивность? Дело в том, что обкладки конденсатора представляют собой проводник тока, а проводник, через который протекает ток, имеет индуктивность. Даже если конденсатор состоит лишь из двух обкладок, реальная схема конденсатора соответствует рисунку ниже.
Это классический колебательный контур с активным сопротивлением R, которое зависит от диэлектрика между обкладками конденсатора и удельного сопротивления всех токоведущих элементов конденсатора. Таким образом, заряд и разряд конденсатора происходит не мгновенно, а имеет колебательный характер. Частота колебаний определяется формулой Томпсона, из которой и вычисляется собственная индуктивность конденсатора.
Где L к - собственная индуктивность конденсатора
C к - емкость конденсатора
F p - основная резонансная частота
Разумеется, чем выше энергия конденсатора, тем больше мощность накачки. Однако с увеличением емкости конденсатора возрастает и время импульса накачки. Если длительность накачки не имеет принципиального значения, то для работы лазера подойдут высоковольтные электролитические конденсаторы. Такие конденсаторы можно использовать, например, для накачки рубинового или неодимового лазера. Конечно, проблематично раздобыть кондер, имеющий 1000 мкФ при рабочем напряжении 3 кВ. Но эта проблема легко решается, если использовать банк конденсаторов. При последовательном соединении отдельных конденсаторов суммарное напряжение зарядки возрастает, а емкость можно увеличить параллельным подключением конденсаторов. В радиотехнических магазинах можно купить электролитические конденсаторы, имеющие, например, 150 мкФ х 450 В.
Из таких конденсаторов можно составить банк на любую емкость и рабочее напряжение.
На рисунке ниже показан пример банка конденсаторов, эквивалентный одному конденсатору на 30 мкФ х 2 кВ.
Если длительность накачки должна быть как можно меньше, то для работы лазера электролитические конденсаторы уже не подходят, и нужно приобретать импульсные конденсаторы. К сожалению, в радиотехнических магазинах импульсные высоковольтные конденсаторы - товар редкий. В магазине «Чип и Дип» можно затариться высоковольтными конденсаторами фирмы «MURATA ».
Однако максимальное напряжение таких конденсаторов ограничено на уровне 15 кВ при емкости 1 нФ. Такие конденсаторы можно использовать для накачки самодельных азотных лазеров или лазеров на парах металлов.
Для накачки лазеров на красителях потребуется 100 - 1000 штук таких конденсаторов, соединенных параллельно. Учитывая стоимость одного такого кондера на уровне ~ 80 руб/шт, все удовольствие обойдется любителю минимум 8 000 руб. Так еще нужно спаять из кучи конденсаторов единый банк.
Через Интернет можно приобрести конденсаторы типа КВИ-3, которые также подходят для накачки лазеров, но их цена будет еще дороже (~ 200 руб/шт).
Также через Интернет приобретаются конденсаторы типа КПИМ, которые вполне подойдут для накачки лазера на красителе.
Эти конденсаторы имеют впечатляющие характеристики. Рабочее напряжение может быть в пределах 5 - 100 кВ при емкости конденсатора 0,1 - 240 мкФ. Но вот частота импульсов будет < 1Гц. По стоимости эти конденсаторы самые дорогие. Их цена за штуку начинается от 20 000 руб. За такие деньги можно купить готовый лазер, причем нехилой мощности и не заниматься творческим онанизмом.
Если же денег нет, а очень хочется, то приступаем к рукоблудию, а именно к изготовлению самодельного высоковольтного конденсатора.
Самодельный высоковольтный конденсатор
Схема конденсатора проста, но вот трудности реализации этой схемы в виде готовой конструкции возрастают с ростом рабочего напряжения конденсатора. Для начала разберем возможные варианты простого конденсатора из двух обкладок, разделенных воздухом. На рисунке 1 показаны пластины заряженного конденсатора. Если нужно изготовить конденсатор с низкой индуктивностью, то следует стремиться укорачивать все токоведущие элементы. Причем направление токов в обкладках конденсатора при разрядке должно быть противоположным, дабы снизить магнитное поле. Направление токов зависит от места подключения электродов конденсатора. Индуктивность конденсатора будет самой наименьшей, если электроды конденсатора соединены с обкладками по центру, как показано на рисунке 2.
Собственно по этой схеме изготавливаются коммерческие керамические конденсаторы. Только у высоковольтных конденсаторов обкладки имеют форму круга во избежание возникновения коронных разрядов. Возможные варианты подключения электродов к обкладкам конденсатора, а также направления токов при разрядке показаны на рисунке ниже.
Схема рисунка 3 соответствует минимальной индуктивности конденсатора. По этой схеме и нужно изготавливать конденсатор, если требуется короткий импульс накачки.
Емкость плоского конденсатора вычисляется по формуле:
Обкладками конденсатора
S - площадь обкладок конденсатора
D - толщина диэлектрика между обкладками конденсатора
Как видно из формулы, для повышения емкости конденсатора нужно уменьшать толщину диэлектрика и повышать площадь обкладок конденсатора. Уменьшать толщину диэлектрика можно до определенного предела, который зависит от диэлектрической прочности материала диэлектрика. Ниже этого предела произойдет пробой диэлектрика и конденсатор можно выбрасывать. Повышение площади обкладок приводит к увеличению размеров конденсатора. Для компактности конденсатора его обкладки либо сворачиваются в рулон (рулонная технология), либо собираются в пакет (пакетная технология).
Рулонная технология
Под рулонной технологией изготовления конденсатора понимается способ компоновки обкладок конденсатора, когда длинные полоски обкладок сворачиваются в рулон, тем самым, уменьшая размеры конденсатора. Схематически такой конденсатор является полосковой линией, показанной на рисунке ниже.
Для изготовления конденсатора понадобится полиэтиленовая пленка, пищевая алюминиевая фольга, полоски жести от консервной банки (например, «сгущенное молоко»), скотч-лента. Полиэтиленовую пленку можно купить на строительном рынке или в магазине «Хозтовары». Лучше брать самую толстую пленку (~200 мкм), хотя и пленка в 100 мкм тоже подойдет. Просто расход пленки будет больше. Главное, чтобы поверхность пленки не имела царапин и проколов. Полиэтиленовая пленка будет служить диэлектриком, разделяющим обкладки конденсатора, и от качества поверхности пленки зависит надежность работы конденсатора. Любая соринка или волосок на поверхности пленки будут источником коронного разряда, который в конечном итоге приводит к пробою пленки.
Прежде всего, нужно определиться с рабочим напряжением конденсатора. От этого зависит выбор толщины полиэтиленовой пленки. Диэлектрическая прочность полиэтилена находится в пределах 40 - 60 кВ/мм. Это значит, что при толщине пленки 100 мкм предельное рабочее напряжение конденсатора составит ~ 5 кВ.
При толщине пленки 200 мкм предельное рабочее напряжение конденсатора составит ~ 10 кВ. Для повышения рабочего напряжения нужно просто использовать несколько слоев пленки, наложенных один на другой.
Изготавливать конденсатор будем по схеме рисунка 3 (см. выше).
Каждая из обкладок конденсатора будет помещаться в свой конверт из полиэтиленовой пленки. Конверт представляет собой сложенную пополам полоску полиэтиленовой пленки произвольных размеров. Чем больше будет длина полоски, тем выше возможная емкость конденсатора. Ширина полоски делается несколько больше ширины обкладок конденсатора с тем, чтобы предотвратить возникновение разряда по воздуху между обкладками конденсатора.
Электроды конденсатора вырезаются из консервной жести в виде прямоугольной полоски шириной ~ 1 см. Длина жестяной полоски произвольная, но не меньше ширины полиэтиленовой пленки. Для предотвращения коронных разрядов концы жестяной полоски округляются напильником (рис.7 ниже). Для снижения активного сопротивления жестяная полоска обворачивается несколькими слоями алюминиевой фольги (рис.8 ниже).
Для предотвращения возникновения искрового разряда между электродами конденсатора полоска жести с одного конца обворачивается несколькими слоями полиэтиленовой пленки, которая фиксируется скотч-лентой (рис.9 ниже).
Обкладки конденсатора вырезаются в виде прямоугольной полоски из алюминиевой фольги. Размеры обкладки делаются такими, чтобы она была несколько меньше размеров полиэтиленового конверта. Концы алюминиевой полоски округляются ножницами с целью предотвращения возникновения коронного разряда.
Электрод фиксируется на обкладке скотч-лентой как показано на рисунке ниже.
Обкладка конденсатора помещается на полиэтиленовую пленку так, как показано на рисунке ниже.
Затем полиэтиленовая пленка складывается пополам, как показано на рисунке ниже.
Таким же способом подготавливается вторая обкладка конденсатора.
Теперь можно сворачивать полоски в рулон. Если полиэтиленовые полоски очень длинные, то сворачивать рулон проще на полу комнаты.
Один конверт полиэтиленовой пленки с обкладкой конденсатора расстилается на полу и сверху на него накладывается второй конверт с обкладкой конденсатора так, чтобы обе обкладки были параллельно друг другу (рисунок ниже).
Рулон сворачивается, начиная от электродов, как показано на рисунке ниже.
Поскольку алюминиевая фольга в полиэтиленовом конверте не закреплена, при сворачивании рулона нужно следить, чтобы обкладки конденсатора оставались параллельны друг другу и не вылезали за пределы полиэтиленовой пленки. Свернутый рулон как можно туже стягивается скотч-лентой, которая служит не только стяжкой, но и фиксирует рулон, предотвращая разматывание полиэтиленовой пленки.
Изготовленный конденсатор показан на рисунке ниже.
Для предотвращения пробоя по воздуху электроды конденсатора несколько отгибаются друг от друга. Но лучше при рабочих напряжениях конденсатора более 10 кВ между электродами конденсатора установить пластинку оргстекла толщиной 3 - 4 мм. Размеры пластинки выбираются исходя из рабочего напряжения конденсатора. Назначение оргстеклянной пластинки в том, чтобы снизить напряженность электрического поля между электродами конденсатора и тем самым предотвратить межэлектродный пробой по воздуху.
Емкость изготовленного конденсатора можно измерить цифровым LC - метром.
Пакетная технология
Под пакетной технологией изготовления конденсатора понимается способ компоновки обкладок конденсатора, когда короткие полоски обкладок накладываются друг на друга, образуя пакет.
Схематически такой конденсатор показан на рисунке ниже.
Самым простым способом изготовления конденсатора по пакетной технологии будет использование двусторонне фольгированного гетинакса, который можно купить на радиорынке или в магазине (например, «Чип и Дип»). Двусторонне фольгированный гетинакс - это практически готовый конденсатор (рис.1 ниже). Осталось лишь с двух сторон снять по периметру листа полоску меди (рис.2 ниже) для предотвращения межэлектродного пробоя по воздуху и подключить электроды к обеим поверхностям листа (рис.3 ниже).
Все! Конденсатор готов!
Конечно, емкость такого конденсатора будет небольшой. Но если наложить друг на друга несколько листов, соединяя плюс к плюсу, а минус к минусу, то можно получить значительную емкость. К сожалению, гетинакс, также как и текстолит, - не самый лучший материал для высоковольтной техники. Диэлектрическая прочность этих материалов ~ 18 кВ/мм. Это значит, что самый распространенный в продаже фольгированный лист гетинакса толщиной 1,5 мм можно зарядить до ~ 20 кВ. При большем зарядном напряжении возрастает вероятность пробоя гетинакса. Кроме того, себестоимость изготовления такого самодельного конденсатора будет очень высокой, если нужна большая емкость.
Более дешевым, но трудоемким будет изготовление высоковольтного конденсатора с использованием полиэтиленовой пленки и пищевой алюминиевой фольги. Ниже изложен вариант методики изготовления конденсатора по пакетной технологии.
В первую очередь определяемся с рабочим напряжением конденсатора, отчего зависит выбор толщины полиэтиленовой пленки. Еще раз напомню, диэлектрическая прочность полиэтилена находится в пределах 40 - 60 кВ/мм. Для изготовления конденсатора большой емкости потребуется значительное количество, как алюминиевой фольги, так и полиэтиленовой пленки. Кроме того, потребуются два толстых (4 - 5 мм) диэлектрических листа (в моих самоделках используется оргстекло) для стяжки пакета конденсатора.
Каждая обкладка конденсатора представляет собой полоску алюминиевой фольги, концы которой округлены ножницами для предотвращения возникновения коронных разрядов. Каждая обкладка соединяется с другими обкладками той же полярности через контактную полоску, которая вырезается из алюминиевой фольги и закрепляется скотч-лентой на обкладке (рисунок ниже).
Из полиэтиленовой пленки вырезается полоска, размеры которой несколько больше размеров обкладки конденсатора. На пленке с помощью скотч-ленты фиксируется полоска алюминиевой фольги (рисунок ниже).
Затем пленка складывается пополам, образуя слой диэлектрика с двух сторон обкладки конденсатора (рисунок ниже).
Так же изготавливается обкладка конденсатора противоположной полярности. Затем обкладки накладываются друг на друга (рисунок ниже).
В принципе, конденсатор готов. Нужно только прижать обкладки друг к другу с помощью диэлектрических пластин и стянуть весь пакет. Однако емкость конденсатора будет незначительной. Для увеличения емкости нужно увеличивать число обкладок конденсатора. Поперечный разрез конденсатора с несколькими обкладками показан на рисунке ниже.
По такой схеме можно изготовить конденсатор на любую емкость и рабочее напряжение. Хоть на 1 000 0000 В. Принципиальное ограничение - размер помещения, где будет находиться конденсатор. С ростом емкости увеличиваются и размеры конденсатора. Даже если рабочее напряжение будет 20 кВ, наращивание емкости приведет к тому, что конденсатор превращается…
…превращается конденсатор…
…в элегантную тумбочку для интерьера комнаты.
И чем толще пакет конденсаторных обкладок, тем больше нужно прилагать усилий, чтобы стянуть его. Облегчить стягивание пакета помогут толстые диэлектрические пластины, между которыми помещается весь пакет обкладок.
Как вариант на рисунке ниже показаны две пластины из оргстекла толщиной 5 мм, которые будут служить и корпусом конденсатора, и сжимать пакет обкладок. На верхней пластине по всей длине приклеена межэлектродная разделительная перегородка с пазами для пластиковых стяжек.
Весь пакет обкладок помещается на нижнюю диэлектрическую пластину, а верхняя пластина накладывается на пакет. Затем как можно сильнее верхняя пластина прижимается (руками, ногами, прессом и т. д.) к нижней. Фиксация стянутых пластин осуществляется пластиковыми стяжками.
Готовый стянутый пакет обкладок конденсатора показан на рисунке ниже.
После стягивания и фиксации пакета можно закреплять контактные полоски обкладок конденсатора. Схема крепления контактных полосок показана на рисунке ниже.
Достоинством «сухого» конденсатора, изготовленного по изложенной выше рулонной или пакетной технологии, является малая величина утечки электрического заряда, что важно при работе конденсатора в высокочастотных схемах. Однако такой конденсатор имеет и существенный недостаток, а именно наличие воздуха между обкладками. Каким бы сильным не было сжатие обкладок, воздух между ними будет всегда. Само по себе наличие воздуха никоим образом не сказывается на энергетических характеристиках конденсатора. «Сухие» конденсаторы вполне можно применять в качестве накопительных, которые служат для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения до 1 кВ. Однако с ростом зарядного напряжения воздух начинает ионизироваться, что проявляется в характерном шипении конденсатора при его подключении к источнику напряжения > 10 кВ. Шипение вызвано возникновением коронных разрядов, которые в конечном итоге приводят к пробою диэлектрика между обкладками конденсатора. А если использовать конденсатор в режиме коротких замыканий, что характерно для работы импульсного конденсатора, то проявление коронных разрядов будет максимальным. Даже при идеальной поверхности пленки между обкладками конденсатора коронные разряды будут возникать по периметру кромки алюминиевой фольги в момент быстрого разряда конденсатора, как показано на рисунке ниже.
Свечение коронных разрядов в самодельном конденсаторе можно увидеть в затемненном помещении.
По причине возникновения коронных разрядов коммерческие высоковольтные конденсаторы всегда погружаются в жидкий диэлектрик, который, во-первых, имеет большую диэлектрическую прочность, чем воздух, а во-вторых, повышает емкость конденсатора, поскольку диэлектрическая проницаемость любого жидкого диэлектрика выше, чем у воздуха. Более того, высоковольтные конденсаторы с рабочим напряжением в десятки киловольт никогда не делаются в виде единого рулона или отдельного пакета. Если требуется изготовить высоковольтный конденсатор, то он набирается из нескольких секций (рулонов или пакетов), которые соединяются между собой параллельно для увеличения емкости и последовательно для увеличения рабочего напряжения. Причем рабочее напряжение каждой секции не превышает 10 кВ. Все секции собранного конденсатора размещаются в прочном корпусе и заливаются жидким диэлектриком.
В качестве жидкого диэлектрика применяют масло, которое может быть либо минеральным (нефтяное), либо растительное (касторовое), либо синтетическое (например, силиконовое). Каждое из масел имеет свои плюсы и минусы, не имеющие особого значения для самодельных конструкций. Если есть желание погружать свой самодельный конденсатор в масло, то совсем не обязательно затариваться, например, касторовым маслом, которое можно купить в аптеке. Вполне подойдет пищевое растительное масло типа «Олейна», «Милора» и т.д, которое обойдется дешевле. Например, рулонный конденсатор можно сунуть в стеклянную банку и залить ее маслом (рисунок ниже).
Заманчиво использовать в качестве жидкого диэлектрика глицерин (ε ≈ 40) или дистиллированную воду (ε ≈ 80). Эти жидкости на порядок повышают емкость конденсатора. К сожалению, и глицерин, и вода имеют относительно низкое удельное сопротивление, что приведет к шунтированию источника высокого напряжения, имеющего высокоомный выход (например, диодно-конденсаторный умножитель напряжения). Проще говоря, конденсатор замкнет блок питания, и никакого высокого напряжения не будет. Тем не менее, глицерин и воду с успехом применяют в импульсных высоковольтных конденсаторах. Фишка в том, что конденсатор заряжается не от источника постоянного напряжения, а от генератора импульсных напряжений (ГИН).
Конструкция импульсного конденсатора представляет собой коаксиальную линию, составленную из двух дюралюминиевых трубок, между которыми заливается либо глицерин, либо дистиллированная вода.
1 - внешняя и внутренняя металлические трубки
2 - жидкий диэлектрик (глицерин или вода)
3 - контакт внутренней металлической трубки
4 - диэлектрическая пробка
5 - отверстие для залива диэлектрика
Жидкий диэлектрик заливается в конденсатор через отверстие, проделанное на конце внешней трубки.
Соотношение диаметров дюралевых трубок будет определять емкость конденсатора в соответствии с формулой емкости цилиндрического конденсатора:
Где С - емкость конденсатора
ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика между
Обкладками конденсатора
ε 0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость, равная 8,85х10 -12 Ф/м
L - длина трубок конденсатора
r 2 - радиус внешней трубки конденсатора
R 1 - радиус внутренней трубки конденсатора
Схема подключения импульсного коаксиального конденсатора показана на рисунке ниже.
Требования снизить размеры радиодеталей при увеличении их технических характеристиках послужило причиной появления большого количества приборов, которые сегодня используются повсеместно. Это в полной мере коснулось и конденсаторов. Так называемые ионистры или суперконденсаторы являются элементами с большой емкостью (разброс данного показателя достаточно широк от 0,01 до 30 фарад) с напряжением зарядки от 3 до 30 вольт. При этом их размеры очень малы. А так как предмет нашего разговора – это ионистр своими руками, то необходимо в первую очередь разобраться с самим элементом, то есть, что он собой представляет.
Конструктивные особенности ионистра
По сути, это обычный конденсатор с большой емкостью. Но у ионистров большое сопротивление, потому что в основе элемента лежит электролит. Это первое. Второе – это небольшое напряжение зарядки. Все дело в том, что в этом суперконденсаторе обкладки располагаются очень близко друг к другу. Именно это и является причиной сниженного напряжения, но именно по этой причине и увеличивается емкость конденсатора.
Заводские ионистры изготавливаются из разных материалов. Обкладки обычно делаются из фольги, которые разграничивает сухое вещество сепарирующего действия. К примеру, активированный уголь (для больших обкладок), оксиды металлов, полимерные вещества, у которых высокая электрическая проводимость.
Собираем ионистр своими руками
Сборка ионистра своими руками – дело не самое простое, но в домашних условиях его сделать все же можно. Есть несколько конструкций, где присутствуют разные материалы. Предлагаем одну из них. Для этого вам понадобится:
- металлическая баночка от кофе (50 г);
- активированный уголь, который продается в аптеках, его можно заменить истолченными угольными электродами;
- два круга из медной пластины;
- вата.
В первую очередь необходимо приготовить электролит. Для этого сначала надо истолочь активированный уголь в порошок. Затем сделать солевой раствор, для чего в 100 г воды надо добавить 25 г соли, и все это хорошо перемешать. Далее, в раствор постепенно добавляется порошок активированного угля. Его количество определяет консистенция электролита, она должна быть плотностью, как замазка.
После чего готовый электролит наносится на медные круги (на одну из сторон). Обратите внимание, чем толще слой электролита, тем больше емкость ионистра. И еще один момент, толщина наносимого электролита на двух кругах должна быть одинаковая. Итак, электроды готовы, теперь их надо разграничить материалом, который бы пропускал электрический ток, но не пропускал угольный порошок. Для этого используется обычная вата, хотя вариантов и здесь немало. Толщина ватного слоя определяет диаметр металлической баночки от кофе, то есть, вся эта электродная конструкция должна в нее спокойно поместиться. Отсюда, в принципе, и придется подбирать размеры самих электродов (медных кругов).
Остается только сами электроды подключить к выводам. Все, ионистр, изготовленный своими руками, да еще в домашних условиях, готов. У такой конструкции не очень большая емкость – не выше 0,3 фарад, да и напряжение зарядки всего лишь один вольт, но это самый настоящий ионистр. 
Заключение по теме
Что можно еще в дополнении сказать об этом элементе. Если его сравнивать, к примеру, с аккумулятором никель-металлгидридного типа, то ионистр спокойно может держать запас электроэнергии до 10% от аккумуляторной мощности. К тому же спад напряжения у него происходит линейно, а не скачкообразно. Но уровень зарядки элемента зависит от технологического его назначения.
Конструктивно это «бутерброд» из двух проводников и диэлектрика, которым может быть вакуум, газ, жидкость, органическое или неорганическое твердое тело. Первые отечественные конденсаторы (стеклянные банки с дробью, обклеенные фольгой) делали в 1752 г. М. Ломоносов и Г. Рихтер.
Что может быть интересного в конденсаторе? Приступая к работе над этой статьей я думал что смогу собрать и кратко изложить все об этой примитивной детальке. Но по мере знакомства с конденсатором, я с удивлением понимал, что здесь не рассказать и сотой доли всех сокрытых в нем тайн и чудес…
Конденсатору уже более 250 лет, но он и не думает устаревать.. Кроме того, 1 кг «обычных просто конденсаторов» хранит меньше энергии чем килограмм аккумуляторов или топливных ячеек, но способен быстрее чем они выдать ее, развивая при этом большую мощность. — При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например, в фотовспышках, импульсных лазерах с оптической накачкой и коллайдерах. Конденсаторы есть практически в любом приборе, поэтому если у вас нет новых конденсаторов, для опытов их можно выпаять оттуда.
Заряд конденсатора — это абсолютное значение заряда одной из его обкладок. Он измеряется в кулонах и пропорционален числу лишних (-) или недостающих (+) электронов. Чтобы собрать заряд в 1 кулон, Вам понадобится 6241509647120420000 электрона. В пузырьке водорода, размером со спичечную головку их примерно столько же.
Поскольку способность накапливать заряды у электрода ограничена их взаимным отталкиванием, их переход на электрод не может быть бесконечным. Словно любое хранилище, конденсатор имеет вполне определенную емкость. Так она и называется - электрическая емкость . Она измеряется в фарадах и для плоского конденсатора с обкладками площадью S (каждая), расположенными на расстоянии d , емкость равна Sε 0 ε/d (приS >> d ), где ε – относительная диэлектрическая проницаемость, а ε 0 =8,85418781762039 * 10 -12 .
Емкость конденсатора также равна q/U , где q – заряд положительной обкладки, U — напряжение между обкладками. Емкость зависит от геометрии конденсатора и диэлектрической проницаемости диэлектрика, и не зависит от заряда обкладок.
В заряженном проводнике заряды стараются разбежаться друг от друга как можно дальше и потому находятся не в толще конденсатора, а в поверхностном слое металла, подобно пленке бензина на поверхности воды. Если два проводника образуют конденсатор, то эти избыточные заряды собираются друг напротив друга. Потому практически все электрическое поле конденсатора сосредоточено между его обкладками.
На каждой обкладке заряды распределяются так, чтобы быть подальше от соседей. И расположены они довольно просторно: в воздушном конденсаторе с расстоянием между пластинами 1 мм, заряженном до 120 В, среднее расстояние между электронами составляет более 400 нанометров, что в тысячи раз больше расстояния между атомами (0,1-0,3 нм), а значит на миллионы поверхностных атомов приходится всего один лишний (или недостающий) электрон.
Если уменьшить расстояние между обкладками, то силы притяжения возрастут, и при том же напряжении заряды на обкладках смогут «ужиться» плотнее. Увеличится емкость конденсатора. Так и сделал ничего не подозревавший профессор Лейденского университета ван Мушенброк. Он заменил толстостенную бутылку первого в мире конденсатора (созданного немецким священником фон Клейстом в 1745 г.) тонкой стеклянной банкой. Зарядил ее и потрогал, а очнувшись через два дня сообщил, что не согласится повторить опыт, даже если бы за это обещали французское королевство.
Если поместить между обкладками диэлектрик, то они поляризуют его, то есть притянут к себе разноименные заряды из которых он состоит. При этом будет тот же эффект как если бы обкладки приблизились. Диэлектрик с высокой относительной диэлектрической проницаемостью можно рассматривать как хороший транспортер электрического поля. Но никакой транспортер не идеален, поэтому какой бы мы чудесный диэлектрик не добавили поверх уже имеющегося, емкость конденсатора только снизится. Повысить емкость можно только если добавлять диэлектрик (а еще лучше — проводник) вместо уже имеющегося но обладающего меньшей ε.
В диэлектриках свободных зарядов почти нет. Все они зафиксированы то ли в кристаллической решетке, или в молекулах – полярных (представляющих собой диполи) или нет. Если внешнего поля нет, диэлектрик неполяризован, диполи и свободные заряды разбросаны хаотически и диэлектрик собственного поля не имеет. в электрическом поле он поляризуется: диполи ориентируются по полю. Так как молекулярных диполей очень много, то при их ориентации, плюсы и минусы соседних диполей внутри диэлектрика компенсируют друг друга. Нескомпенсированными остаются только поверхностные заряды – на одной поверхности – одного, на другой — другого. Свободные заряды во внешнем поле также дрейфуют и разделяются.
При этом разные процессы поляризации идут с разной скоростью. Одно дело – смещение электронных оболочек, происходящее практически мгновенно, другое дело – поворот молекул, особенно больших, третье – миграция свободных зарядов. Последние два процесса, очевидно, зависят от темературы, и в жидкостях идут гораздо шустрее, чем в твердых телах. Если нагреть диэлектрик, повороты диполей и миграция зарядов ускорится. Если поле выключить, деполяризация диэлектрика происходит тоже не мгновенно. Он остается некоторое время поляризованным, пока тепловое движение не разбросает молекулы в исходное хаотическое состояние. Поэтому, для конденсаторов, где переключается полярность с высокой частотой пригодны только неполярные диэлектрики: фторопласт, полипропилен.
Если разобрать заряженный конденсатор, а потом собрать (пластмассовым пинцетом), энергия никуда не денется, и светодиод сможет моргнуть. Он даже моргнет если подключить его к конденсатору в разобранном состоянии. Оно и понятно – при разборке заряд с пластин никуда не делся, а напряжение даже выросло, поскольку уменьшилась емкость и теперь обкладки прямо-таки распирает от зарядов. Стоп, как это напряжение выросло, ведь тогда вырастет и энергия? Так и есть, мы же сообщили системе механическую энергию, преодолевая кулоновское притяжение обкладок. Собственно, в этом и фишка электризации трением – зацепить электроны на расстоянии порядка размеров атомов и оттащить на макроскопическое расстояние, тем самым повысив напряжение с нескольких вольт (а таково напряжение в химических связях) до десятков и сотен тысяч вольт. Теперь понятно, почему синтетическая кофта бьется током не когда ее носишь, а только когда ее снимаешь? Стоп, а почему не до миллиардов? Дециметр же в миллиард раз больше ангстрема, на котором мы урвали электроны? Да потому что работа по перемещению заряда в электрическом поле равна интегралу Eq по d и это самое E ослабевает с расстояние квадратично. А если бы на всем дециметре между кофтой и носом было такое же поле как внутри молекул, то щелкнул бы по носу и миллиард вольт.
Проверим это явление – повышение напряжения при растягивании конденсатора – экспериментально. Я написал простую программку на Visual Basic для приема данных с нашего контроллера ПМК018 и вывода их на экран. В общем, берем две 200х150 мм пластины текстолита, покрытого с одной стороны фольгой и припаиваем проводки, идущие к измерительному модулю. Затем кладем на одну из них диэлектрик – лист бумаги – и накрываем второй пластиной. Пластины прилегают неплотно, поэтому придавим их сверху корпусом авторучки (если давить рукой, то можно создать помехи).
Схема измерения простая: потенциометр R1 устанавливает напряжение (в нашем случае это 3 вольта), подаваемое на конденсатор, а кнопка S1 служит для того чтобы подавать его на конденсатор, или не подавать.
Итак, нажмем и отпустим кнопку – мы увидим график, показанный слева. Конденсатор быстро разряжается через вход осциллографа. Теперь попробуем во время разряда ослабить давление на пластины – увидим пик напряжения на графике (справа). Это как раз искомый эффект. При этом расстояние между обкладками конденсатора растет, емкость падает и потому конденсатор начинает разряжаться еще быстрее.
Тут я не на шутку задумался.. Кажется, мы на пороге великого изобретения…Ведь если при раздвигании обкладок на них растет напряжение, а заряд остается прежним, то можно ведь взять два конденсатора, на одном раздвигать на них обкладки, а в точке максимального раздвижения передать заряд неподвижному конденсатору. Потом вернуть обкладки на место и повторить то же самое наоборот, раздвигая другой конденсатор. По идее напряжение на обоих конденсаторах будет расти с каждым циклом в определенное число раз. Отличная идея для электрогенератора! Можно будет создать новые конструкции ветряков, турбин и всего такого! Так, прекрасно… для удобства можно разместить все это на двух дисках, вращающихся в противоположные стороны…. ой что же это… тьфу, это же школьная электрофорная машина! 🙁
В качестве генератора она не прижилась, так как неудобно иметь дело с такими напряжениями. Но на наноуровне все может измениться. Магнитные явления в наноструктурах во много раз слабее электрических, а электрические поля там, как мы уже убедились, огромны, поэтому молекулярная электрофорная машина может стать весьма популярной.
Конденсатор как хранитель энергии
Убедиться, что в самом ничтожнейшем конденсаторе хранится энергия очень легко. Для этого нам понадобится прозрачный светодиод красного свечения и источник постоянного тока (батарейка 9 вольт подойдет, но если номинальное напряжение конденсатора позволяет, лучше взять побольше). Опыт заключается в том чтобы зарядить конденсатор, а потом подключить к нему светодиод (не забываем про полярность), и смотреть как он моргнет. В темной комнате видна вспышка даже от конденсаторов в десятки пикофарад. Это каких-нибудь сто миллионов электронов испускают сто миллионов фотонов. Впрочем это не предел, ведь человеческий глаз может замечать куда более слабый свет. Просто я не нашел еще менее ёмких конденсаторов. Если же счет пошел на тысячи микрофарад, пожалейте светодиод, а вместо этого замыкайте конденсатор на металлический предмет чтобы увидеть искру – очевидное свидетельство наличия в конденсаторе энергии.
Энергия заряженного конденсатора ведет себя во многом подобно потенциальной механической энергии — энергии сжатой пружины, поднятого на высоту груза или водонапорного бачка (а энергия катушки индуктивности, наоборот, подобна кинетической). Способность конденсатора накапливать энергию издавна применяется для обеспечения непрерывной работы устройств при кратковременных спадах питающего напряжения – от часов до трамваев.
Конденсатор также используется для накопления «почти вечной» энергии, вырабатываемой тряской, вибрацией, звуком, детектированием радиоволн или излучения электросетей. Мало-помалу накопленная энергия от таких слабых источников в течение долгого времени позволяет затем некоторое время работать беспроводным датчикам и другим электронным приборам. На этом принципе основана вечная «пальчиковая» батарейка для устройств со скромным энергопотреблением (вроде ТВ пультов). В ее корпусе находится конденсатор емкостью 500 миллифарад и генератор, подпитывающий его при колебаниях с частотой 4–8 герц дармовой мощностью от 10 до 180 милливатт. Разрабатываются генераторы на основе пьезоэлектрических нанопроводков, способные направлять в конденсатор энергию таких слабых вибраций, как биения сердца, удары подошв обуви по земле, и вибрации технического оборудования.
Еще один источник дармовой энергии – торможение. Обычно при торможении транспорта энергия переходит в тепло, а ведь ее можно сохранить и затем использовать при разгоне. Особенно остро стоит эта проблема для общественного транспорта, который тормозит и разгоняется у каждой остановки, что ведет к значительному расходу топлива и загрязнению атмосферы выхлопами. В Саратовской области в 2010 г. фирмой «Элтон» создан «Экобус» — экспериментальная маршрутка с необычными электродвигателями «мотор-колесо» и суперконденсаторами – накопителями энергии торможения, снижающими энергопотребление на 40%. Там применены материалы, разработанные в проекте «Энергия-Буран», в частности, углеродная фольга. Вообще, благодаря созданной еще в СССР научной школе, Россия является одним из мировых лидеров в сфере разработки и производства электрохимических конденсаторов. Например, продукция «Элтона» экспортируется за рубеж с 1998 года, а недавно в США началось производство этих изделий по лицензии российской компании.
Емкость одного современного конденсатора (2 фарады, фото слева) в тысячи раз превышает емкость всего земного шара. Они способны хранить электрический заряд в 40 Кулон!
Используются они, как правило, в автомобильных аудиосистемах, чтобы снизить пиковую нагрузку на электропроводку автомобиля (в моменты мощных бас-ударов) и за счёт огромной ёмкости конденсатора подавить все высокочастотные помехи в бортовой сети.
А вот этот советский «дедушкин сундучок» для электронов (фото справа) не столь емок, но зато выдерживает напряжение в 40.000 вольт (обратите внимание на фарфоровые чашечки, защищающие все эти вольты от пробоя на корпус конденсатора). Это очень удобно для «электромагнитной бомбы», в которой конденсатор разряжается на медную трубочку, которая в тот же момент сжимается снаружи взрывом. Получается очень мощный электромагнитный импульс, выводящий из строя радиоаппаратуру. Кстати, при ядерном взрыве, в отличие от обычного, тоже выделяется электромагнитный импульс, что еще раз подчеркивает сходство уранового ядра с конденсатором. Кстати, такой конденсатор вполне можно напрямую зарядить статическим электричеством от расчески, только конечно заряжать до полного напряжения придется долго. Зато можно будет повторить печальный опыт ван Мушенброка в очень усугубленном варианте.
Если просто потереть об волосы авторучку (расческу, воздушный шарик, синтетическое белье и т.п.), то светодиод от нее гореть не будет. Это потому, что избыточные (отнятые у волос) электроны заневолены каждый в своей точке на поверхности пластика. Поэтому если даже мы и попадем выводом светодиода в какой-то электрон, другие не смогут устремиться за ним и создать нужный для заметного невооруженным глазом свечения светодиода ток. Другое дело, если перенести заряды с авторучки в конденсатор. Для этого возьмем конденсатор за один вывод и буде тереть авторучку по очереди то о волосы, то о свободный вывод конденсатора. Почему именно тереть? Чтобы по максимуму собрать урожай электронов со всей поверхности ручки! Несколько раз повторим этот цикл и подключим к конденсатору светодиод. Он моргнет, причем только при соблюдении полярности. Так конденсатор стал мостиком между мирами «статического» и «обычного» электричества 🙂
Я взял для этого опыта высоковольтный конденсатор, опасаясь пробоя низковольтного, но оказалось, что это излишняя предосторожность. При ограниченной подаче заряда напряжение на конденсаторе может быть намного меньше напряжения источника питания. Конденсатор может преобразовывать большое напряжение в малое. Например, статическое высоковольтное электричество – в обычное. В самом деле, есть ли разница: зарядить конденсатор одним микрокулоном от источнка напряжением 1 В или 1000 В? Если этот конденсатор настолько емкий, что от заряда в 1 мкКл на нем напряжение не повысится выше напряжения одновольтового источника питания (т.е. емкость его выше 1 мкф), то разницы нет. Просто если не ограничивать принудительно кулоны, то от высоковольного источника их захочет прибежать больше. Да и тепловая мощность, выделившаяся на выводах конденсатора будет больше (а количество теплоты то же, просто оно быстрее выделится, оттого и мощность больше).
В общем, видимо, для этого опыта годится любой конденсатор емкостью не более 100 нф. Можно и более, но понадобится долго его заряжать чтобы получить достаточное для светодиода напряжение. Зато, если токи утечки в конденсаторе невелики, светодиод будет гореть дольше. Можно подумать о создании на этом принципе устройства подзарядки сотового телефона от трения его об волосы во время разговора 🙂
Отличным высоковольтным конденсатором является отвертка. При этом ручка ее служит диэлектриком, а металлический стержень и рука человека – обкладками. Мы знаем, что натертая об волосы авторучка притягивает клочки бумаги. Если натирать об волосы отвертку то ничего не выйдет – металл не обладает способностью отнимать электроны у белков – она как не притягивала бумажки, так и не стала. Но если как в предыдущем опыте тереть ее заряженной авторучкой – отвертка, вследствие своей малой емкости, быстро заряжается до высокого напряжения и бумажки начинают к ней притягиваться.
Светится от отвертки и светодиод. На фото нереально поймать краткий миг его вспышки. Но — вспомним свойства экспоненты — угасание-то вспышки длится долго (по меркам затвора фотоаппарата). И вот мы стали свидетелями уникального лингвистико-оптико-математического явления: экспонента экспонировала-таки матрицу фотоаппарата!
Впрочем, к чему такие сложности — есть же видеосъемка. На ней видно, что вспыхивает светодиод довольно ярко:
Когда конденсаторы заряжают до высоких напряжений, начинает играть свою роль краевой эффект, состоящий в следующем. Если диэлектрик на воздухе поместить между обкладками и приложить к ним постепенно повышающееся напряжение, то при некотором значении напряжения на краю обкладки возникает тихий разряд, обнаруживаемый по характерному шуму и свечению в темноте. Величина критического напряжения зависит от толщины обкладки, остроты края, рода и толщины диэлектрика и пр. Чем диэлектрик толще, тем выше кр. Например, чем диэлектрическая постоянная диэлектрика выше, тем оно ниже. Для уменьшения краевого эффекта края обкладки заделывают в диэлектрик с высокой электрической прочностью, утолщают диэлектрик прокладку на краях, закругляют края обкладок, создают на краю обкладок зону с постепенно падающим напряжением за счет изготовления краев обкладок из материала с высоким сопротивлением, уменьшением напряжения, приходящегося на один конденсатор путем разбивки его на несколько последовательно включенных.
Вот почему отцы-основатели электростатики любили чтобы на конце электродов были шарики. Это, оказывается, не дизайнерская фишка, а способ максимально уменьшить стекание заряда в воздух. Дальше уже некуда. Если кривизну какого-то участка на поверхности шарика еще уменьшить,то неизбежно возрастет кривизна соседних участков. Да и тут по-видимому в наших электростатических делах важна не средняя а максимальная кривизна поверхности, которая минимальна, конечно у шарика.
Хм.. но если емкость тела это способность накапливать заряд, то она, наверное, весьма различна для положительных и отрицательных зарядов…. Представим себе сферический конденсатор в вакууме… От души зарядим его отрицательно, не жалея электростанций и гигаватт-часов (вот чем хорош мысленный эксперимент!)… но в какой-то момент избыточных электронов станет на этом шаре так много, что они попросту начнут разлетаться по всему вакууму, лишь бы не находиться в такой электроотрицательной тесноте. А вот с положительным зарядом такого не произойдет – электроны, как бы их мало не осталось, никуда из кристаллической решетки конденсатора не улетят.
Что же получается, положительная емкость заведомо намного больше отрицательной? Нет! Потому что электроны там вообще-то были не для нашего баловства, а для соединения атомов, и без сколь-нибудь заметной их доли, кулоновское отталкивание положительных ионов кристаллической решетки мгновенно разнесет в пыль самый бронированный конденсатор 🙂
На самом же деле, без вторичной обкладки, емкость «уединенных половинок» конденсатора очень мала: электроемкость уединенного куска провода диаметром 2 мм и длиной 1 м равна приблизительно 10 пФ, а всего земного шара – 700 мкф.
Можно построить абсолютный эталон емкости, рассчитав его емкость по физическим формулам исходя из точных измерений размеров обкладок. Так и сделаны самые точные конденсаторы в нашей стране, которые находятся в двух местах. Государственный эталон ГЭТ 107-77 находится в ФГУП СНИИМ и состоит из 4-х безопорных коаксиально-цилиндрических конденсаторов, емкость которых рассчитывается с высокой точностью через скорость света и единицы длины и частоты, а также высокочастотного емкостного компаратора, позволяющего сравнивать емкости приносимых на поверку конденсаторов с эталоном (10 пф) с погрешностью менее 0,01% в диапазоне частот 1-100 МГц (фото слева).
Эталон ГЭТ 25-79 (фото справа), находящийся в ФГУП ВНИИМ им. Д.И. Менделеева содержит расчетный конденсатор и интерферометр в вакуумном блоке, емкостный трансформаторный мост в комплекте с мерами емкости и термостатом и источники излучения со стабилизированной длиной волны. В основу эталона положен метод определения приращений емкости системы перекрестных электродов расчетного конденсатора при изменении длины электродов на заданное количество длин волн высокостабильного светового излучения. Это обеспечивает поддержание точного значения емкости 0,2 пф с точностью выше 0,00005 %
Но на радиорынке в Митино я затруднился найти конденсатор с точностью выше 5% 🙁 Что ж, попробуем рассчитать емкость по формулам на основе измерений напряжения и времени через наш любимый ПМК018 . Будем рассчитывать емкость двумя способами. Первый способ основан на свойствах экспоненты и отношении напряжений на конденсаторе, измеренных в разные моменты разряда. Второй — на измерении заряда, отданного конденсатором при разряде, он получается интегрированием тока по времени. Площадь, ограниченная графиком тока и осями координат, численно равна заряду, отданному конденсатором. Для этих расчетов нужно точно знать сопротивление цепи через которую разряжается конденсатор. Это сопротивление я задал прецизионным резистором на 10 кОм из электронного конструктора .
И вот результаты эксперимента. Обратите внимание на то какая красивая и гладкая получилась экспонента. Она ведь не математически рассчитана компьютером, а непосредственно измерена из самой природы. Благодаря координатной сетке на экране видно, что точно соблюдается свойство экспоненты — через равные промежутки времени уменьшаться в равное количество раз (я даже линейкой мерил на экране 🙂 Таким образом, мы видим, что физические формулы вполне адекватно отражают окружающую нас реальность.
Как видим, измеренная и рассчитанная емкость приблизительно совпадает с номинальной (и с показаниями китайских мультиметров), но не точь-в-точь. Жаль, что нет эталона, чтобы определить какая из них все-таки истинна! Если кто-нибудь знает эталон емкости, недорогой или доступный в быту – обязательно напишите об этом здесь, в комментариях .
В силовой электротехнике первым в мире применил конденсатор Павел Николаевич Яблочков в 1877 г. Он упростил и вместе с тем усовершенствовал конденсаторы Ломоносова, заменив дробь и фольгу жидкостью, и соединив банки параллельно. Ему принадлежит не только изобретение инновационных дуговых ламп, покоривших Европу, но и ряд патентов, связанных с конденсаторами. Попробуем собрать конденсатор Яблочкова, используя подсоленную воду в качестве проводящей жидкости, а в качестве банки – стеклянную банку из по овощей. Получилась емкость 0,442 нф. Заменим банку полиэтиленовым пакетом, имеющим большую площадь и во много раз меньшую толщину – емкость вырастет до 85,7 нф. (Сначала наполним пакет водой и проверим, нет ли токов утечки!) Конденсатор работает – даже позволяет моргнуть светодиодом! Он также успешно выполняет свои функции в электронных схемах (я попробовал его включить в генератор вместо обычного конденсатора — все работает).
Вода тут играет весьма скромную роль проводника, и если есть фольга, то можно обойтись без нее. Так сделаем, вслед за Яблочковым, и мы. Вот конденсатор из слюды и медной фольги , емкостью 130 пф.
Металлические обкладки должны возможно плотно прилегать к диэлектрику, причем надо избегать введения между обкладкой и диэлектриком клеящего вещества, которое вызовет добавочные потери на переменном токе. Поэтому теперь в качестве обкладок применяют главным образом металл, химически или механически осажденный на диэлектрик (стекло) или плотно припрессованный к нему (слюда).
Можно вместо слюды использовать кучу разных диэлектриков, каких угодно. Измерения (для диэлектриков равной толщины) показали, что у воздуха ε самое маленькое, у фторопласта побольше, у силикона еще больше, а у слюды даже еще больше, а у цирконат-титаната свинца оно просто огромно. Именно так по науке и должно быть – ведь во фторопласте электроны, можно сказать, намертво прикованы фтороуглеродными цепями и могут лишь чуть-чуть отклониться – там даже с атома на атом электрону некуда перескочить.
Вы можете сами провести такие опыты с веществами, имеющими разную диэлектрическую проницаемость. Как вы думаете, что имеет большую диэлектрическую проницаемость, дистиллированная вода или масло? Соль или сахар? Парафин или мыло? Почему? Диэлектрическая проницаемость зависит много от чего… про нее можно было бы написать целую книгу.
Вот и все? 🙁
Нет, не все! Через неделю будет продолжение! 🙂
Если Вы замыслили построить лазер, ускорительную трубку, генератор электромагнитных
помех или что-нибудь еще в этом роде, то рано или поздно Вы столкнетесь с необходимостью
использовать малоиндуктивный высоковольтный конденсатор, способный развивать нужные Вам
Гигаватты мощности.
В принципе можно попытаться обойтись использованием покупного конденсатора и что-то
близкое к тому, что Вам нужно даже имеется в продаже. Это керамические конденсаторы
типа КВИ-3, К15-4, ряд марок фирм Murata и ТDK, ну и конечно зверь Maxwell 37661
(последний, правда, масляного типа)
Использование покупных конденсаторов, однако имеет свои недостатки.
- Они дороги.
- Они малодоступны (Интернет, конечно, связал людей, но таскать деталюшки с другого конца земного шара несколько напрягает)
- Ну и самое, конечно, главное: они все-равно не обеспечат требуемых Вами рекордных параметров. (Когда речь идет о разряде за десятки и даже единицы наносекунд для питания азотного лазера или получения пучка убегающих электронов из неоткачной ускорительной трубки, ни один Максвелл Вам не в помощь)
По этому гайду мы будем учиться делать самодельный малоиндуктивный высоковольтный
конденсатор на примере платы, предназначенной для использования в качестве драйвера
лампового лазера на красителях. Тем не менее принцип является общим и с его
использованием Вы сможете строить конденсаторы в частности (но не ограничиваясь)
даже для питания азотных лазеров.
I. РЕСУРСЫ
II. СБОРКА
Когда проектируется устройство, требующее малоиндуктивного питания, думать надо о
конструкции в целом, а не отдельно о конденсаторах, отдельно о (например) лазерной
головке и т.д. В противном случае токоведущие шины сведут на нет все преимущества
малоиндуктивного дизайна конденсаторов. Обычно конденсаторы являются органичной
составной частью подобных устройств и именно поэтому примером будет служить плата
драйвера лазера на красителях.
Блажен тот самодельщик, вокруг которого валяются листы стеклопластика и оргстекла.
Мне же приходится использовать кухонные разделочные доски, продающиеся в магазине.
Возьмите кусок пластика и обрежьте в размер будущей схемы.
Идея схемы примитивна. Это два конденсатора, накопительный и обострительный,
включенные через разрядник по схеме с резонансной зарядкой. Детально разбираться
с работой схемы здесь мы не будем, наша задача тут - сосредоточиться на сборке
конденсаторов.
Определившись с размерами будущих конденсаторов отрежьте кусочки алюминиевого
уголка по размерам будущих контакторов. Уголки тщательно обработайте по всем
правилам высоковольтной техники (скруглите все углы и затупите все острия).
Закрепите выводы будущих конденсаторов на получающейся "печатной плате".
Смонтируйте те части схемы, которые, если их не собрать сейчас, потом могут
помешать сборке конденсаторов. В нашем случае это соединительные шины и разрядник.
обратите внимание, малая индуктивность при установке разрядника принесена в жертву удобству регулировки. В данном случае это оправдано, поскольку собственная индуктивность (длинной и тонкой) лампы заметно больше индуктивности цепи разрядника, а кроме того лампа по всем законам черного тела не будет светить быстрее чем sigma*T^4, какой бы быстрой цепь питания ни была. Укоротить можно только фронт, но не весь импульс. С другой стороны, при конструировании, например, азотного лазера так вольно крепить разрядник Вы уже не станете.
Следующим этапом надо нарезать фольгу и, возможно, ламинат-пакеты (если только
размер конденсатора не предполагает использование полного формата пакета, как в
случае накопительного конденсатора на рассматриваемой плате.)
Несмотря на то, что ламинирование в идеале происходит герметично и пробой по
закраинам должен быть исключен, не рекомендуется делать закраины (размер d на
рисунке) менее чем по 5 мм на каждые 10 кВ рабочего напряжения.
Закраины размером по 15 мм на каждые 10 кВ напряжения обеспечивают более-менее
стабильную работу даже без герметизации.
Размер выводов (размер D на рисунке) выбирайте равным предполагаемой толщине
стопы будущего конденсатора с некоторым запасом. Углы фольги, естественно,
должны быть скруглены.
Начнем с пикового конденсатора. Вот как выглядят заготовки и готовая,
заламинированная обкладка:
Для пикового конденсатора взят ламинат толщиной 200 мкм, поскольку за счет
"резонансной" зарядки здесь ожидается наброс напряжения под 30 кВ.
Заламинируйте необходимое количество обкладок (в нашем случае 20 шт.).
Сложите их стопкой (выводами поочередно в разные стороны). У полученной
стопки подогните выводы (при необходимости излишки фольги надо обрезать),
уложите стопку в гнездо, образованное уголковыми контакторами на плате
и прижмие верхней крышкой.
Фетишисты закрепят верхнюю крышку аккуратными болтиками, но можно и просто
примотать изолентой. Пиковый конденсатор готов.
Сборка накопительного конденсатора ничем принципиально не отличается.
Меньше работы ножницами, поскольку используется полный формат А4.
Ламинат здесь выбран толщиной 100 мкм, поскольку планируется использовать
зарядное напряжение 12 кВ.
Точно так же собираем в стопку, подгибаем выводы и прижимаем крышкой:
Кухонная досточка с подрезанной ручкой выглядит, конечно злостно, но
функциональности не нарушает. Надеюсь, что у Вас с ресурсами проблем
будет меньше. Да и вот еще что: если в качестве основания и крышки
надумаете использовать деревяшки, их придется серьезно подготовить.
Первое - хорошенько просушить (лучше при повышенной температуре).
И второе - герметично пролакировать. Уретановым или виниловым лаком.
Дело здесь не в электропрочности и не в утечках. Дело в том, что
когда поменяется влажность деревяшки изогнет. Во-первых это нарушит
качество контакта и удлинит время разряда конденсаторов. Во-вторых,
если как здесь поверх этой платы предполагается монтировать лазер,
его тоже изогнет со всеми вытекающими последствиями.
Загибая выводы не забудьте проложить по дополнительному слою изоляции. А то в самом
деле: обкладки друг от друга отделены двумя слоями диэлектрика, а выводы от обкладки
противоположной полярности - только одним.
Посмотрим, что у нас получилось. Воспользуемся мультиметром со
встроенным измерителем емкости.
Вот что показывет накопительный конденсатор.
А вот что показыват пиковый конденсатор.
Вот, собственно и все. Конденсаторы готовы, тема гайда исчерпана.
Однако, вероятно не терпится опробовать их в деле. Доделываем недостающее
части схемы, устанавливаем лампу, подключаем к источнику питания.
Вот как это выглядит.
Вот осциллограмма, тока, снятая небольшим колечком провода, непосредственно
подключенным к осциллографу и расположенным вблизи контура, питающего лампу. Правда вместо лампы схема была нагружена на шунт.
А вот осциллограмма вспышки лампы, снятая фотодиодом ФД-255, направленным
на ближайшую стену. Рассеянного света вполне хватает. Правильней даже сказать "более чем."
Можно долго ругать плохо получившиеся кондесаторы и искать причину, почему
разряд длится более 5 мкс... На самом деле лампа вспышка вываливает кучу
мегаватт и даже рассеяным от стен светом загоняет фотодиод в глубокое насыщение.
Унесем фотодиод подальше. Вот осциллограмма снятая с 5 метров, когда фотодиод
смотрит не точно на лампочку, а чуть в сторону от нее.
Время нарастания точно определить сложно из-за помех, однако видно, что оно
составляет порядка 100 нс и хорошо согласуется с длительностью
полупериода тока.
Оставшийся хвост в световом импульсе - свечение медленно остывающей плазмы.
Полная длительность - под 1 мкс.
Хватит ли этого для лазера на карасителе? Это отдельный вопрос. Вообще обычно
такого импулсьса более чем хватает, но тут все зависит от красителя (насколько
он чист и хорош), от кюветы, осветителя, резонатора и т.п. Если мне удастся
получить генерацию на одном из имеющихся в продаже флуоресцентных маркеров -
тогда будет отдельный гайд по самодельному лазеру на красителях.
(ЗЫ) Пришлось добавить еще 30 нФ в главный накопительный конденсатор и действительно хватило. Труба, фотку которой можно найти тут же в разделе "Фотки" заработала даже лучше чем от двухмаксвелльного ГИН"а.
Вообще время разряда в 100 нс отнюдь не предел для описанной технологии
создания конденсаторов. Вот фото конденсатора с которым устойчиво работает
в режиме сверхизлучения воздушный откачной азотный лазер:
Время его разряда уже за пределами возможностей моего осциллографа, однако то, что азотник с этим конденсатором эффективно генерит уже при 100 мм.рт.ст. позволяет оценить время разряда в 20 нс и менее.
III. ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ. БЕЗОПАСНОСТЬ
Сказать, что такой конденсатор опасен - это ничего не сказать. Электрический
удар от такой емкости также смертелен, как КАМАЗ, летящий на Вас со скоростью
160 км/ч. Относиться к этому конденсатору нужно с таким же уважением, как к
оружию или взывчатке. При работе с такими конденсаторами применяйте все возможные
меры безопасности и, в частности дистанционное включение и выключение.
Предугадать все опасные ситуации и дать рекомендации, как в них не попасть,
попросту невозможно. Будьте осторожны и думайте головой. Знаете, когда кончается
карьера сапера? Когда он перестает бояться. Именно в тот самый момент, когда он
становится "на ты" с взрывчаткой, ему сносит бошку.
С другой стороны миллионы людей ездят по дорогам с КАМАЗами и тысячи саперов
ходят на работу и остаются живы. Пока Вы осторожны и думаете головой, все будет
в порядке.
Маечный конденсатор
Этот тип конденсатора получил свое название за сходство формы обкладок с пакетом "майка".
Индуктивность этого конденсатора больше чем у кондера описанного выше или конфетного , но он вполне пригоден для использования в СО2-шке или ГИНе. С трудом заводит краситель а для азотника не подойдет.
Материалы понадобятся те же что и в гайде выше: майларовая пленка(или пакеты для ламинирования), алюминиевая фольга и скотч/изолента.
На схеме ниже обозначены размеры основных зазоров.
L - длинна диэлектрика
D - ширина диэлектрика
R - внешний радиус конденсатора
Зазоры от краев диэлектрика по 15мм. С той стороны, где выходят контактные полосы обкладок отступ 50мм. Эти отступы сделаны минимально возможными для максимальной емкости при заданных L и D диэлектрика. Обратите внимание, эти зазоры подобраны для 10кВ. (Я сомневаюсь, что имеет смысл делать такой тип конденсатора для более высоких напряжений, поэтому я не буду писать здесь формулы для пересчета отступов и зазоров для других напряжений)
Расстояние между выводами обкладок - 30мм. Этот зазор тоже взят минимально возможным для 10кВ. Увеличение данного зазора сделает выводы слишком узкими - увеличится индуктивность конденсатора.
Изготовление
Маечный конденсатор готов. Можете устанавливать его ваш лазер, ГИН или другой высоковольтный девайс.
Как сделать конденсатор?
В душе каждого из нас живет изобретатель, а потому радиолюбительство является довольно популярным хобби. Самостоятельное изготовление радиокомпонентов - одна их самых интересных составляющих данного хобби. В этой статье расскажем о том, как сделать конденсатор своими руками в домашних условиях.
Материалы
Для изготовления конденсатора нам понадобится:
- фольга,
- утюг,
- папирусная бумага,
- парафин,
- зажигалка.
Фольга не нуждается в дополнительной подготовке, а вот с помощью трех последних компонентов нам предстоит сделать парафинированную бумагу.
Изготовление
Итак, материалы подготовлены, приступаем к работе:
- Нагреваем парафин и аккуратно обрабатываем папирусную бумагу.
- Складываем ее в "гармошку", ширина каждой секции которой порядка 30 мм. Число слоев-гармошек определяет емкость конденсатора, каждый слой соответствует примерно 100 пФ.
- В каждую секцию вкладываем кусочек фольги площадью 30 на 45 мм.
- Складываем гармошку и проглаживаем ее теплым утюгом.
- Все, конденсатор готов! Кусочки фольги, выглядывающие наружу - это соединительные контакты нашего конденсатора, через которые его можно включить в цепь.
Мы получили самый простой бытовой конденсатор, при этом стоит отметить, что чем толще и качественнее фольга, тем более высоковольтным он будет. Однако обращаем ваше внимание, сделать в домашних условиях своими руками конденсатор, который выдержит более 50 кВ, лучше не пробовать. "Профессионалы-любители" советуют при желании подобраться к этому значению использовать в качестве диэлектрика пакеты для ламинирования, однако при этом для их нагрева вам понадобится ламинатор.
